0 引言

    在海洋開發日益重要的現在，水下無人潛器AUV得到了各個國家的重視。但對于AUV而言，回收過程中會受到海流、海風等環境影響，預設的方向和距離會發生改變，因此回收過程中的精確定位會變得十分艱難^[1]。目前AUV回收的定位方式有水聲定位、衛星定位、電磁定位以及光學定位等^[2]，其中水聲定位和衛星定位只適用于大致的遠程定位，而AUV回收過程中關鍵的是近距離定位，必須滿足很高的定位精度^[3]；電磁定位以及光學定位適用于近距離定位，但是電磁定位容易受到AUV本身的磁場干擾，必須避免在變磁場區域進行回收作業；光學定位會受到海水背景光、混濁度、折射等因素的影響，需要采取一定的措施（如過濾掉背景光），這不僅加大了成本，而且定位的精度也得不到保證^[4]。

    基于上述的研究現狀，本文設計的無人潛器回收測向搜尋儀采用的定位方式是射頻定位，射頻定位指的是通過射頻信號識別對象并完成對目標源的定位，該定位技術操控簡易，受環境的干擾比較小^[5]，因此很適用于該搜尋儀的設計。整體系統的實際應用示意圖如圖1所示。

1 系統工作原理

    整體搜尋儀內部框架圖如圖2所示。低噪聲射頻放大模塊對天線接收的射頻信號進行放大，放大增益能達到20 dB，并且噪聲系數可以控制在1 dB以內；射頻檢波模塊對放大的信號進行檢波，最后將檢波后的直流電壓信號轉換為信號強度或通信距離，并利用信號顯示模塊的數碼管以及LED燈對其進行顯示，按鍵負責對數碼管顯示內容進行切換。供電電源采用的是9 V可充電鋰電池。

2 系統硬件

2.1 低噪聲射頻放大模塊

    低噪聲射頻放大模塊框架如圖3所示。模塊電路原理圖設計軟件是美國Agilent推出的ADS仿真軟件，主控芯片為ATF54143。該放大模塊的設計預期指標是將頻段為20 MHz～1 200 MHz的信號進行增益放大，增益可達20 dB以上，噪聲系數可以控制在1 dB以內。

2.2 射頻檢波模塊

    射頻檢波模塊框架如圖4所示。該主控芯片采用的是一種真有效值響應的功率檢測芯片AD8362，射頻檢波模塊的預期設計指標是頻率范圍為50 MHz～3 800 MHz、功率在-80 dBm～20 dBm的射頻信號變換成直流電壓輸出。

2.3 信號顯示主控模塊

    信號顯示主控模塊的框架如圖5所示。該模塊設計預期目標是將范圍為-80.0 dBm～20.00 dBm的信號強度值以及相對應的距離值能用四位數碼管精確顯示，主控芯片選擇的是STM32F103CB。

3 系統軟件

    該系統的軟件部分主要分為兩部分：(1)低噪聲射頻放大模塊中ADS軟件仿真；(2)信號顯示主控模塊中的AD轉換以及數碼管驅動程序設計。

3.1 低噪聲射頻放大模塊ADS軟件仿真

    低噪聲射頻放大模塊中ADS軟件仿真流程圖如圖6所示。

    在該仿真流程中，最核心的部分是成品率仿真分析，首先給最終的ADS電路原理圖增加YIELD 仿真器及YIELD 參數，隨后對放大器在所設定目標下的合格率進行分析，并且保證元件參量變化符合正態分布。

3.2 信號顯示主控模塊相關程序設計

    信號顯示主控模塊相關程序設計的流程圖如圖7所示。

    在該模塊的程序設計流程中，最關鍵的是對系統時鐘、I/O口以及ADC的初始化配置，進而完成數碼管、LED燈的驅動以及數據采集。相關代碼在美國Keil Software公司的Keil軟件上完成。

4 系統調試

    為了保證實驗數據的可靠性，測向搜尋儀的調試地點選在錢塘江旁的沿江大道。搜尋儀和天線的整體實物圖、測試地圖如圖8所示。

    在測試過程中，由于空間受限，信號收發源的位置距離最遠只能達到1 000 m，測試過程中射頻信號發射源采用的是頻段為220 MHz～240 MHz、發射功率為5 W的數傳電臺。根據無線信道的衰減公式以及考慮到放大模塊的20 dB增益和天線增益7.5 dBi，可以得到100 m、200 m、500 m及1 000 m處對應的接收信號強度標準值為-2.50 dBm、-8.52 dBm、-16.5 dBm及-22.5 dBm；并且通過該公式可以知道，當距離值為10 km時，接收到的信號強度值對應的距離值為-50 dBm，遠遠小于-80 dBm，因此理論上通信距離是可以達到10 km。整體回收測向搜尋儀的測向以及測距功能測試步驟如下：

    (1)測向功能測試。在相同距離處通過調整天線轉動方向，記錄相應的信號強度值，并將得到的測試值和對應的標準值進行比較得到誤差值，偏離角度分別與信號強度值、誤差絕對值的關系如圖9所示。

    由圖9可以知道，在相同距離的情況下，天線發射端轉動后的方向與沿江大道方向偏離角度為0°時測得的信號強度值最大，并且測得值與標準值的誤差最小，誤差范圍均達到預期指標±1 dBm以內；隨著偏離角度絕對值θ的增大，測得的信號強度值會越小，相對應的誤差值也越大。因此該測向搜尋儀測向功能是較為精確的。

    (2)測距功能測試。在各個測試位置上通過測向找到最大信號強度的方向（即沿江大道方向）后，保持方向不變，通過觀察數碼管的顯示來記錄相對應的信號強度值，通過按鍵切換顯示記錄相對應的距離值，并將得到的測試值和標準距離值進行比較作誤差分析。實際距離值分別與測試距離值、距離誤差百分比的曲線變化圖如圖10所示。

    由圖10可以知道，測得距離值和實際距離值的變化曲線接近于斜率為1的線性直線，距離值的誤差百分比最高大約為6.20%，并且當測試距離值慢慢變大，誤差也會變小，因此該搜尋儀的測距功能是較為精確的。

5 結論

    該搜尋儀的設計達到了預期的要求，實現了低噪聲射頻放大、射頻檢波、數碼管驅動、信號強度以及距離顯示等基本功能；工作適用頻段較寬，可以支持不同頻率的射頻信號源；在測試過程中對目標定位精度較高，因此后續可以將該搜尋儀應用于實際海試測試，不斷地對其功能進行完善優化。

參考文獻

[1] 王智學.AUV回收時的運動控制方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

[2] 潘光，黃明明.AUV回收技術現狀以及發展趨勢[D].西安：西北工業大學，2008.

[3] 王曉娟.基于視覺的AUV水下回收引導定位技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

[4] 王雪峰，呂汝信.水下航行體位置指示及打撈、回收新技術研究[J].船舶工程，2002(4)：52-55.

[5] 李向陽.一種定位系統射頻發射前端設計與實現[D].成都：電子科技大學，2010.

作者信息:

胡畢煒，蔡文郁，溫端強，張娟娟

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州310018）